PFKFB3基因调控星形胶质细胞糖酵解途径参与阿尔兹海默症发生的作用机制研究

The disorder of energy metabolism and accumulation of β-amyloid (Aβ) in nervous system are important characteristics of Alzheimer's Disease (AD). Asctrocyte is the main energetic supporting cell in nervous system. The glycolysis modulated by PFKFB3 in astrocyte provides the substrate of aerobic metabolism for nerve cell in which glycolysis is not complete. Meanwhile, astrocyte also participates in Aβ production and clearance in paravascular pathway. In our previous study, the vascular AD of PFKFB3 mice model showed activation of astrocyte, accumulation of Aβ, and disfunction of Aβ clearance in paravascular pathway, but the mechanism was unclear. Therefore, we speculate that during AD, PFKFB3-mediated glycolysis may participate in Aβ accumulation and clearance by regulating the active state of astrocyte. In this study, we will establish AD mice in which PFKFB3 is knockout in astrocyte and investigate the development of AD pathological mechanism, the activation of astrocyte, the changes in the production of Aβ and the function of clearance in paravascular pathway, and the changes in key targets and products of glycolysis in the context of missing PFKFB3 in astrocyte. The expected results may reveal the mechanism of glycolysis modulated by PFKFB3 in astrocyte in AD and provide a new theoretical basis for AD treatment.

神经系统能量失衡和Aβ沉积是AD的重要临床特征，星形胶质细胞是神经系统主要的能量支持细胞，PFKFB3介导星形胶质细胞糖酵解过程为无法完成糖酵解的神经元提供有氧代谢底物，同时星形胶质细胞还直接参与Aβ产生和维持类淋巴Aβ清除通道功能。我们前期研究发现PFKFB3敲除小鼠诱导血管性AD，表现星形胶质细胞活化，Aβ沉积增加，类淋巴Aβ清除通道受损，但作用机制不清楚。结合前期研究，我们推测在AD发生时，PFKFB3可能通过介导糖酵解途径调控星形胶质细胞活化状态，参与Aβ产生和清除。因此，本项目将构建星形胶质细胞PFKFB3敲除的AD小鼠，研究在星形胶质细胞PFKFB3缺失时，AD小鼠临床病理的发展、星形胶质细胞的活化、Aβ产生和类淋巴Aβ清除通道功能的变化、以及糖酵解通路上关键调控靶点和产物的变化，揭示星形胶质细胞PFKFB3介导的糖酵解途径在AD发生中的作用机理，为AD的治疗提供新的理论基础。

血管性痴呆（VD）是指由缺血性卒中、出血性卒中和造成记忆、认知和行为等脑区低灌注的脑血管疾病所致的严重认知功能障碍综合征，我国VD的患病率为1.1%～3.0%。而由于脑长期低灌注导致的能量代谢失衡是血管性痴呆发生的重要原因之一。糖酵解产物丙酮酸和乳酸是细胞进行有氧代谢获得ATP的底物来源，而PFKFB3是糖酵解过程中的关键限速酶，先前的报道显示，神经元中不表达PFKFB3无法进行糖酵解，其三羧酸循环依赖于胶质细胞PFKFB3介导糖酵解途径提供能量底物。但在本项目的最初研究中发现，生理情况下，神经元可表达少量PFKFB3，低灌注和炎症可刺激其表达上调，而星形胶质细胞在生理和炎症情况下均未见PFKFB3表达。为此，在本研究中，我们通过建立PFKFB3条件性敲除小鼠，并围绕可诱导脑低灌注发生的双侧颈总动脉狭窄模型（BCAS），对PFKFB3可能影响的血管性痴呆表型及分子机制开展分析，评价PFKFB3在血管性痴呆发生过程中的调控作用机制。研究结果显示，在BCAS模型下，PFKFB3在脑皮层和海马区部分大锥体神经元中明显表达上调，PFKFB3敲除可导致动物出现认知损伤、星形和小胶质细胞活化等表型，并进而导致脑类淋巴通道功能损伤，但动物未出现脑白质病理改变加重的表型。糖酵解产物分析显示，PFKFB3敲除可导致丙酮酸在脑内含量显示升高。转录组分析显示，PFKFB3敲除引起KLF4、PTGS2等9个基因转录发生差异，结合已有文献报道，我们推测，抑制PFKFB3可通过负反馈引起细胞过表达KLF4，而KLF4通过激活eNOS/NO/HIF/PTGS2信号通路导致脑组织中星形和小胶质细胞过度活化，并进一步激活A2A/NLRP3炎症相关通路，参与血管性痴呆发生。本项目将为探讨能量代谢在血管性痴呆发生中的作用机制研究提供参考，并为血管性痴呆治疗药物研发提供理论依据。